О формной оснастке.

Принципиальный выбор: покупать готовые формы или изготавливать  самостоятельно? 
На самом деле - этот вопрос относится к разряду риторических. Подавляющее большинство крупных и средних производителей изделий из декоративного бетона выбрали путь самостоятельного изготовления литьевых форм.
Почему?

• это выгодно в финансовом отношении. Средняя стоимость форм хорошего качества 650-950 $ /кв.м. Такие же формы, изготовленные своими силами, обходятся, примерно, вдвое дешевле. Иными словами, экономия составит около 300 $ на каждом квадратном метре! Если учесть, что среднестатистический формный парк - это 250 - 300 кв. м., то суммарная экономия впечатляет;
• своя формная мастерская гарантирует стабильное качество форм, чего не скажешь о купленных, и возможность внедрения новых авторских проектов;
• любой производитель искусственного камня знает, что умение делать формы - это очевидное конкурентное преимущество.(поэтому, никто из них не спешит делиться с другими маленькими секретами своего мастерства, даже за плату). Нужно иметь возможность быстро реагировать на колебания спроса: например, резко нарастить объем производства при крупном заказе или ввести на рынок новые типажи "изделий", которых нет у конкурентов.

Все это возможно только при наличии собственной модельно - формной мастерской!

Литьевые формы (формная оснастка) - это ядро технологического процесса и самый важный элемент в структуре цеха по производству искусственного камня, потому что:

1.  Это - самая дорогостоящая часть оснастки и оборудования цеха. Например, если вы затратили на организацию цеха по изготовлению искусственного камня 150 тысяч $,то 100 тысяч - это стоимость приобретенных форм, а 50 тысяч - оборудование, оснастка и монтаж (то есть  все остальное)!
2.  Только высокий уровень качества форм обеспечивает превращение бетона в изделие со среднерыночной стоимостью 25 $/кв.м.

Судите сами:

• изделия из декоративного бетона ценятся за высокую степень имитации природных поверхностей. А это возможно только при условии применения формных материалов, идеально копирующих рельеф натурального камня, древесины, лепнины и т.д.;
• натуральность окраски "изделия", в значительной степени, зависит от способности формы удерживать на своей внутренней поверхности пигментные составы с эффектами «размазывания», «размывки», «контраста», «смешения», «набрызга» и т.п.;
• изделие должно иметь четкую геометрию не только для воплощения задуманного, но и для удобства монтажа. А это невозможно, если ваши формы подвержены нагрузочным или усадочным деформациям. 

Давайте рассмотрим все циклы производства:

1. Следует придумать и разработать мастер - модель того, что будет выпускаться в дальнейшем.

В зависимости от того, является ли эта модель набором камней, используемых для облицовки поверхностей, деталью архитектуры (или их комплекта), изделия или его фрагмента для ландшафтного или интерьерного решения, для ее изготовления можно применить ряд подходов:

И вот тут мы рассмотрим материалы, которые используются для производства моделей. Это – гипсы, гипсо – цементные смеси, глины, пластилины, воски, бетоны, дерево, металлы, пластмассы, композиты на основе эпоксидных и полиэфирных смол, силиконы, полиуретаны, природный камень и т.д. и т.п..

Значительным недостатком многих из этих материалов (особенно для изделий со сложным поверхностным рельефом и перепадом высот) является их слабая поверхностная и внутренняя прочность, поскольку:

• необходимость неоднократного снятия с них форм требует нанесения на их поверхность разделительных смазок и влечет, в свою очередь, необходимость предварительной смывки или удаления их (для каждого нового снятия формы), а это приводит к постепенному истиранию модельной поверхности (с одной стороны) и «замыливание» пор и впадин и «поднутрений» - с другой;
• необходимость многократного изготовления кожуха формы (а это требует установки в спец. станок этой модели с новой формой на ней) из подвспененного полиуретана (в целях экономии дорогостоящих материалов для форм) предполагает очень значительное давление на модель в процессе образования и уплотнения пены, что приводит к их постепенной геометрической деформации (прогибам и/или искривлению) и/или разрушениям (трещины, изломы и т.д.).

Поэтому, самыми идеальными являются мастер - модели из металла. Такие модели применяются даже при производстве форм из каучуковой резины горячей полимеризации под давлением. Но сегодня можно приобрести формы для тротуарной плитки, бордюра, водостоков и др. изделий с несложной геометрической формой и поверхностью, т.е. снятые с модели, которую можно изготовить на парке металлообрабатывающих станков. Разумеется, такое не практикуется на станках с ЧПУ, т.к. в этом случае изготовление любой мало-мальски сложной модели «под даже один небольшой натуральный камень» обойдется в несколько тысяч долларов США, а если учесть, что таких моделей необходимо сотни и тысячи …

Можно пойти и по пути литья металлов по выплавляемым моделям, но это тоже очень трудоемкий и дорогостоящий процесс.

2. Следующий этап – это подготовка модели для снятия с нее формы. Желая стандартизировать процесс производства, зачастую, модели одинаковой фактуры поверхности и высоты монтируются на одну плоскость совместно. Такой подход позволяет решить вопросы комплектности и рационализации окраски выпускаемой продукции; значительно экономит дорогостоящий материал, применяемый для изготовления форм; облегчает складирование и упаковку готовой продукции. Достаточно крупные мастер – модели монтируются на плоскость отдельно (индивидуально).

Мастер – модель /рис.2/ (или их комплект /рис.2а/) монтируется на планшет, называемым подложкой.

При этом, монтаж  должен учитывать невозможность подтекания под низ модели заливочного материала, идущего на изготовление формы, снимаемой с данной  модели, а расположение моделей на подложке должно учитывать возможность удобства снятия формы и ее дальнейшей эксплуатации в производстве.

Для нанесения формного материала (в начальной стадии это могут быть жидкие, полувязкие и вязкие вещества) вокруг установленной модели (моделей) следует установить сборно – разборные борта (обечайка) во избежание растекания формного материала и придания будущей формы нужного контура и высоты.

Конструкция обечайки может быть как простой /рис.3/, так и сложной /рис. 4/, в зависимости от дальнейшей эксплутационной потребности конструкции формы. При необходимости это решение может варьироваться /рис. 3а и 4а/. В то же самое время, эта конструкция всегда должна быть разборной.

Перед нанесением заливочного материала на все плоскости мастер-моделей, подложки и обечайки, контактируемых с ним в обязательном порядке наносится разделительная смазка. В обечайке, при необходимости, проделываются воздухоотводящие отверстия для удобной проливки заливочного материала /рис 4 и 4а/.

Такую конструкцию, уже готовую к снятию с нее формы, можно назвать мастер – матрицей.

3.   С мастер - матрицы снимается форма. В зависимости от объемных и фактурных данных мастер – модели и параметров ее дальнейшей эксплуатации, выбирается материал и конструкция формы. Поскольку, в процессе выпуска изделий, используются технологии вибролитья, центробежного литья, вибропрессования, то и конструкция, и материал таких должны строго соответствовать выбранной технологии. А сама технология выбирается в соответствии co  сложностью модели. Рассмотрим виды форм, применяемых в производстве:

а) жесткие формы (цельные и разборные). Они, как правило, бывают металлические и/или пластмассовые. Допускается и изготовление из компаундных композиционных смол и мастик. При этом не требуют специальных кожухов при работе с ними. Применение для литья жестких форм имеет ряд существенных недостатков - невозможность изготовления отливок с поднутрениями, смазанный рельеф изделий, сложная конструкция при отливках объемных фигур, повреждения готовых изделий и форм при выемке.

б) полужесткие формы (цельные и разборные). Материалами для их производства служат резиновые каучуки горячего отверждения, тонкие пластики, дешевые полиуретаны. Как правило, на их производство требуется много материала, либо дополнительный жесткий  кожух. Основные недостатки - невозможность изготовления отливок с поднутрениями, смазанный рельеф изделий, сложная конструкция при отливках объемных фигур, возможность повреждения готовых изделий и форм при выемке.

в) эластичные формы (цельные и разборные).

Существует несколько основных типов формных    материалов. Рассмотрим их:

1.Формопласты-самый дешевый тип формного материала (2-3 $/кг). Применяется, чаще всего, в "гаражных" мастерских по производству дикого камня. Отличается крайней трудоемкостью переработки(превращение блочного материала в стружку и плавильня)и вредностью для здоровья. Кроме того, низкая "живучесть" таких форм (около 10 заливочных циклов) требует ежемесячного обновления формного парка. Амортизация таких матриц- не менее 6$ за 1 м.кв. готового камня! (без учета трудоемкости),что делает такие формы экономически крайне неэффективными.

 2.Силиконовые компаунды и каучуки: легко перерабатывются в формы. Идеально подходят для литья гипсовяжущих смесей. При использовании силиконов для литья "камня" на основе цемента - быстро и необратимо разрушаются(механически и химически) в условиях щелочной среды, присущей любой бетонной смеси.(Исключение - некоторые импортные силиконы на платиновых катализаторах, но их цена слишком высока - от 24 Евро за 1 кг). Долговечность дешевых силиконовых форм от 3 до 30 отливок, а из форм, произведенных дорогих силиконов от 1200 до 2400.

Еще два неприятных минуса - повышенное количество "пузырей" на декоративной поверхности форм и сложность окраски отливаемых изделий.

  3.Полиуретаны (отечественные).Достоинство - невысокая цена(около 5-6 $/кг). Недостатков больше выдерживают всего от 3 до 30 циклов(а значит: высоки амортизационные расходы),имеют высокую усадку (а значит: искажается геометрия плиток). Но для некоторых типажей искусственного камня при срочном заказе малого количества изделий, в целом, годятся с точки зрения цена/качество.

  4.Полиуретаны (США или Зап.Европа). Практически идеально подходят для целей цементного вибролитья. Средняя стоимость таких материалов 15-25 $/кг. Долговечность – от 90 до полутора  тысяч отливок, поэтому амортизационные расходы - ничтожны(0,1-0,4 $ / кв.м.). Легко перерабатываются в формы и, некоторые из них, практически не имеют усадки. Но нужно учитывать, что в мире производится более двухсот разновидностей полиуретановых компаундов. Одни обладают великолепной эластичностью, другие - прочностью и т.д. Для наших целей нужен оптимальный набор нескольких характеристик - плотность, литьевая консистенция, прочность, эластичность, абразивостойкость и некоторые другие.

Самое главное, что эластоформы из таких материалов легки при распалубке, передают самые сложные фактуры поверхностей (в т.ч. и со значительными поднутрениями) и объемность изделий.

Но такое же значение, как выбор нужного полиуретана, имеет правильная конструкция изготовляемой формы или формной оснастки.

Процесс использования всех марок данного материала достаточно прост. Компоненты смешиваются вручную или миксером в чистой сухой таре в рекомендуемым рецептурном соотношении по объему или весу. Время жизни композиции до начала гелеобразования 10-40 минут, в зависимости от массы и марки композиции, поэтому целесообразно после смешения дать 2-20 мин на выход из смеси захваченных пузырьков воздуха, или, при наличии вакуум-насоса, отвакуумировать смесь. Модель и оснастка предварительно обрабатывается антиадгезивом для предотвращения залипания материала. Разные полиуретановые компаунды подходят для  основных видов формования - открытой заливки монолитной формы, обмазки и заливки под кожух.

Главными недостатками является невозможность полного гарантийного удаления пузырьков воздуха из формы ни в первом, ни во втором случае, т.к. при нанесении первого слоя (заливкой и/или обмазкой кистью вручную на воздухе) в массу вновь попадают пузырьки воздуха. Методика предварительной вакуумизации компонентов и их смеси, годится для малого, лабораторного, количества материала, т.к. объем массы увеличивается в 3-4 раза и следует ждать ее осаждения после каждого вакуум удара. Таких ударов требуется от 2 до 7 (в зависимости от объема приготовляемой массы), что никак не позволяет не дать происходить процессу гелеобразования еще до начала использования смеси для ее нанесения на поверхность модели. А наличие воздушных пузырьков в смеси, при изготовлении из нее формы, приводит к тому, что на поверхности рабочей формы появляются мелкие пузырьки (каверны). При послойном же нанесении, образуются внутренние воздушные каверны, способствующие дальнейшему разрыву и/или расслоению формы. Кроме этого, при послойном нанесении материалов холодной полимеризации (во избежание нарушения процесса полимеризации и отслоений нанесенных слоев друг от друга) следует очень строго соблюдать вилку допустимого климатического контроля окружающей среды, согласно техусловий производителя выбранного композитного материала.

Эластичные формы могут производиться методом заливки.

В этом случае, их нижняя поверхность будет плоской (блочная форма), но в связи с деформацией боковых стенок формы под тяжестью залитого бетона, они требуют значительного утолщения. Все это приводит к значительному расходу материала, а, следовательно, к значительному удорожанию форм. Открытая заливка применяется, в основном, для плоских изделий с небольшим перепадом рельефа. Это наиболее простой вид формования, особенно удобный для начинающих пользователей. Модель жестко крепится в герметичной опалубке, расстояние от модели до бортов модели обычно не превышает 2 см. Мягкой кистью наносят подготовленную смесь на модель для точной прорисовки рельефа и "выгонки" микропузырьков воздуха и аккуратно выливают основную массу, таким образом, чтобы минимальная толщина формы составляла 6-10 мм.

Основные преимущества открытой заливки - простота, несложная опалубка, возможность визуально отслеживать отсутствие воздушных включений (при использовании прозрачных марок полиуретанов).

Недостатки – не только большой расход материала, но и повышенная жесткость формы в местах наибольшей толщины и, как следствие, возможность ее надрыва в этом месте или поломки изделия.

Существует и другой метод: 

Обмазка применяется при изготовлении форм с высоким рельефом или для черновых и малотиражных форм. В этом случае смешивается небольшое количество материала, который кистью наносится на поверхность модели. Материал стекает с вертикальных поверхностей в углубления, откуда его извлекают и снова "набрасывают" на модель, дожидаясь момента увеличения вязкости. Поскольку все материалы имеют вязкость, сравнимую с вязкостью масляной краски, за один проход редко удается нанести слой толщиной более 0,5-1 мм, поэтому после первичной полимеризации материала в течение 40-90 мин, на еще липкий слой наносят новый, повторяя операцию до получения требуемой толщины. Средняя толщина формы обычно составляет 3-7 мм. Основное преимущество метода - малый расход материала, недостатки - трудоемкость, разнотолщинность формы, очень тонкий слой на вершинах рельефа, опасность расслоения формы.

После получения эластичной формообразующей, обязательно изготавливается кожух из жестких материалов – полиэфиров, подвспененного полиуретана, бетона и т.п.

Поскольку кожуха из полиэфира довольно дорогие по стоимости материала и вредны с точки зрения экологии и пожаробезопасности, а из бетона – значительно утяжеляют форму (делают ее неподъемной при ручном производстве) и гасят вибрацию при виболитье, то наиболее целесообразным является применение для этих целей двухкомпонентного подвспененного полиуретана.

Но и у этого способа есть ряд недостатков:

а) Поскольку формование кожуха происходит под давлением, то нужен специальный станок, который занят под каждый кожух 1,5-3 часа (до полного отвердения массы).
б) Установка модели и формы в станок производится вручную и занимает долгое время.
в) Помимо этого требуется изготовить кожух для заливки пенообразующих, сделать в нем вручную (точнее его крышке – подложке) до сотни отверстий для отвода излишков пены.
г) Поскольку формы разные по высоте и образованной форме и фактуре поверхностей, то количество пенообразующих элементов приходится выверять каждый раз эмпирически, а это не дает гарантий от:

• Избыточного давления пены, что приводит к разрушению мастер – модели, эластоформы и самого кожуха, т.е. требует переделки не только этой работы, но и всех предыдущих (а это дорого и подчас невозможно),
• Недостаточного давления пены, что приводит к ее оседанию и разрушению, а установить можно только через 3 – 12 часов после начала процесса заливки смеси пенообразующих компонентов на модель с формой.

Формы же наилучшего качества из полиуретанов получаются при заливке под кожух. В этом случае модель по поверхности выкладывается воском или пластилином калиброванными по толщине (обычно 7-10мм). Сверху заливается кожух. После снятия воска между кожухом и моделью образуется равномерный зазор, куда и заливается формовочный материал. Основные преимущества - экономия материала и получение равномерной и не толстостенной формы, которую можно аккуратно снимать с изделия "вывороткой", как бы свертывая форму в рулон, что продлевает срок использования формы и исключает повреждение изделия. Недостатки - достаточная трудоемкость метода, если процесс производится вручную.

Итак, вывод: кроме вида формования на качество отливок и тиражестойкость формы, безусловно, влияет правильный выбор конструкций и материалов мастер – матриц и форм.

5.Каучуковая резина. Годна  для изготовления форм из каучуковой кислотостойкой резины горячей полимеризации под давлением. Формы из этого материала можно производить на специальных прессах с подогревом, применяющихся на заводах, изготавливающих резиново – технические изделия. Они служат несколько лет, при ежедневной одноразовой заливке и могут очищаться слабокислотной промывкой. Они довольно дешевы по себестоимости, т.к. стоимость 1 кг резины не превышает 70-90 рублей, а время, уходящее на производство 1 формы не превышает 15 – 20 минут. Естественно, что горячее прессование требует и наличия второй (прижимной) формообразующей плиты.

Обычно, такая плита делается плоской, что делает изготовляемую форму жесткой, полужесткой или малоэластичной. Но такие формы годны только для изготовления изделий с довольно простой (плоской) фактурой поверхности и/или толщиной не менее 3,5 см. Причины указаны выше: в недостатках таких форм.

Следует напомнить, что мощность любого предприятия, выпускающим изделия из декоративного бетона, зависит, в первую очередь, от парка его форм (по количеству и качеству). Во вторую очередь, применяемые ими процессы вибролитья требуют определенной временной вибрации, что влияет на качество выпускаемой продукции. Достаточно сказать, что бригада из 15 человек рабочих может выпускать в смену (с учетом распалубки, ухода за формной оснасткой, упаковкой и складской отгрузкой) не более 120 - 160 м.кв. такой сложнофактурной и сложноцветовой продукции без ущерба ее качеству. Постоянный же перенос форм с бетоном  и удержание их руками при вибрировании  требует изнурительного, малопроизводительного и затратного ручного труда.

Автор статьи – мастер МБА Грябой А.. Г.
В статье использованы данные по силиконам и полиуретанам, любезно предоставленные кандидатами химических наук
господами Аболиным (СПБ) и Шрайбергом (Кемикал индкорпорейшен)